Численное моделирование крупногабаритных развёртываемых отражателей космических систем ферменного типа Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3:621.396.67

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ РАЗВЁРТЫВАЕМЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ФЕРМЕННОГО ТИПА

Ю. А. Кисанов1, В. Е. Мешковский2, А. Н. Сдобников2, С. А. Чурилин2

1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Научно-исследовательский институт специального машиностроения МГТУ имени Н. Э. Баумана Российская Федерация, 105005, г. Москва, Госпитальный пер., 10 E-mail: sm11@bmstu.ru

Рассматриваются вопросы численного моделирования конструкций космических трансформируемых отражателей ферменного типа в среде программного комплекса MSC.Patran/Nastran и приводятся результаты численного анализа напряжённо-деформированного состояния силовых элементов таких конструкций.

Ключевые слова: трансформируемый рефлектор, ферменная конструкция, напряжённо-деформированное состояние, компьютерное моделирование, численный анализ, метод конечных элементов.

COMPUTER SIMULATION OF TRUSSED SPACE SYSTEMS LARGE DEPLOYABLE REFLECTORS

Yu. A. Kisanov1, V. Ye. Meshkovsky2, A. N. Sdobnikov2, S. A. Churilin2

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2Scientific Research Institute of Mechanical Engineering of Bauman Moscow State Technical University 10, Gospitalny Per., Moscow, 105005, Russian Federation E-mail: sm11@bmstu.ru

This paper presents the results of space transformable trussed reflectors structures computer simulations using MSC.Patran/Nastran software. There are results of such structures loaded units stressed and deformed state in this paper.

Keywords: transformable reflector, trussed structure, stressed and deformed state, computer simulation, numerical analysis, finite element method.

Возрастающие потребности в трансформируемых рефлекторах с апертурой более 12 метров для телекоммуникационных приложений ставят перед разработчиками таких систем задачи поиска наилучших концептуальных решений, отвечающих требованиям минимальной массы, высокой точности отражающей поверхности и необходимой динамической жёсткости [1-3].

В докладе рассмотрен вариант топологической схемы наращиваемой конструкции отражателя с выбором наиболее рационального конструктивного решения, использующего типовой раскладывающийся модуль с сетеполотном, натянутым на каркас из криволинейных стержней, имеющих геометрию, максимально приближённую к параболической поверхности отражателя.

Предлагаемая схема отвечает требованиям экспериментальной отработки конструкции и её функционирования в эксплуатационном режиме при использовании технологии последовательного монтажа на орбите.

Рефлекторы с таким объёмным жестким ферменным каркасом представляют собой разновидность шарнирно-стержневых конструкций, среди которых

можно назвать рефлекторы на основе кольцевых обо-дов (Northrop Grumman, Harris) и так называемые модульные рефлекторы японской фирмы Toshiba Использование жёсткого стержневого каркаса обеспечивает возможность максимально реализовать точностные возможности фацетной аппроксимации формообразующей структуры (ФОС) ферменного рефлектора. В общем случае такая ФОС состоит из жёстких элементов лицевой сети каркаса (узлы и стержни) и гибкой структуры (сетеполотна) внутри треугольников жёсткой сети.

На рис. 1 показан общий вид модульной конструкции трансформируемого рефлектора ферменного типа в развёрнутом положении и общий вид фацеты модуля рефлектора.

В докладе обсуждается возможность фацетирова-ния отражающей поверхности рефлектора с помощью жёстких элементов каркаса, а также основные преимущества фацетированной ФОС [4; 5].

Результаты численного моделирования формы сетеполотна, натянутого на фацетный каркас из криволинейных стержней, показаны на рис. 2. Задача решается в нелинейной постановке в среде MSC.Patran/Nastran.

Решетневскуе чтения. 2018

\ : \ поверхность Кошкклияттюя бставка ^

и (етеполота \ УштаЩага

Рис. 1. Модульная структура трансформируемого рефлектора ферменного типа в развернутом состоянии

а б

Рис. 2. Деформированная форма сетеполотна фацеты, натянутого на силовой каркас а - вид сверху; б - пространственная форма

ъ

Рис. 3. Космический калибровочно-юстировочный аппарат

Принципы развёртывания с использованием зарекомендовавших себя в предыдущих разработках [6] шарнирных соединений и определения деформированной формы сетеполотна для сферической оболочки, используемой в качестве калибровочно-юстиро-вочного спутника, наглядно показал возможности топологических схем ферменного типа.

На рис. 3 показан общий вид такой сферической оболочки отражателя диаметром 3 метра и результат численного моделирования её деформированного состояния. Максимальное отклонение сетеполотна от идеальной сферической поверхности не превышает 5 мм.

В докладе подробно рассматриваются метод расчёта, характер деформирования сетеполотна, а также

особенности получаемой квазисферической формы оболочки отражателя.

Библиографические ссылки

1. Tibert G. Deployable tensegrity structures for space applications : Doctoral thesis - Royal Institute of Technology, Department of Mechanics, Stockholm, Sweden. 2002. 220 p.

2. Величко А. И., Белов С. В., Пономарев С. В. Моделирование рефлектора с тензогридным ободом // Решетнёвские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (12-14 ноября 2013, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 61-62.

3. Пономарев С. В. Трансформируемые рефлекторы антенн космических аппаратов // Вестник Томского государственного университета. 2011. № 4. С. 110-119.

4. Фейзулла Н. М., Кисанов Ю. А. Особенности формообразования поверхности космических антенн с сетчатым отражателем : сб. ст. / под ред. А. А. Пис-толькорса. М. : Радио и связь, 1987. С. 107-115.

5. Мешковский В. Е. Влияние температурных деформаций на точность формы отражающей поверхности ферменного рефлектора крупногабаритной космической антенны на орбите // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 11 (656). С. 3-11.

6. Бугаев Ю. Н., Завалий В. Н., Кисанов Ю. А., Курушкин С. М., Мешковский В. Е., Овчаров В. П., Суетенко А. В., Филин Е. Н., Церихов В. И., Чернец-

кий Н. П. Раскрывающийся сферический отражатель излучения // Патент 2396649 RU. 2009.

References

1. Tibert G. Deployable tensegrity structures for space applications : Doctoral thesis - Royal Institute of Technology, Department of Mechanics, Stockholm, Sweden. 2002. 220 p.

2. Velichko A. I., Belov S. V., Ponomarev S. V. [Modelling a reflector with tensegrety rim]. Materialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVII Intern. Scientific. Conf. "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2013. P. 61-62. (In Russ.)

3. Ponomarev S. V. [Transformable reflectors of spacecraft antennas]. Vestnik of Tomsk State University. 2011. No. 4. P. 110-119. (In Russ.)

4. Feyzulla N. M., Kisanov Yu. A., Osobennosti for-moobrazovanija poverkhnosti kosmicheskih antenn s setchatym otrazhatelem [Features of space antennas with reticulated reflectors surface shaping ]. Sbornik statej pod. red. A. A. Pistol 'korsa, Radio I sviaz', Moskva, 1987. P. 107-115. (In Russ.)

5. Meshkovskiy V. E. [Influence of thermal deformations on the accuracy of the reflecting surface of a large truss space antenna]. Proceedings of Higher Educational Institutions. Ма^ш Building. Moscow, 2014. #11(656). P. 3-11. (In Russ.)

6. Unfolding spherical radiation reflector, patent RU 2396649 C1 (In Russ.)

© Кисанов Ю. А., Мешковский В. Е., Сдобников А. Н., Чурилин С. А., 2018